(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023163273
(43)【公開日】2023-11-10
(54)【発明の名称】施工支援装置及び施工支援方法
(51)【国際特許分類】
E02F 9/20 20060101AFI20231102BHJP
【FI】
E02F9/20 Q
E02F9/20 N
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022074044
(22)【出願日】2022-04-28
(71)【出願人】
【識別番号】000206211
【氏名又は名称】大成建設株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001807
【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】田村 道生
(72)【発明者】
【氏名】青木 浩章
(72)【発明者】
【氏名】遠藤 亮雄
【テーマコード(参考)】
2D003
【Fターム(参考)】
2D003AA01
2D003AB01
2D003AB02
2D003AB03
2D003AB04
2D003AC06
2D003BA02
2D003BA03
2D003BA04
2D003BB05
2D003BB09
2D003CA02
2D003DA02
2D003DA04
2D003DB04
2D003FA02
(57)【要約】
【課題】建設機械の作業効率を向上させる施工支援装置及び施工支援方法を提案する。
【解決手段】本発明の施工支援装置1は、所定の運転計画に基づいて、ブーム21と、アーム22と、バケット23と、機体24と、クローラ28を備える油圧ショベル2の動作を制御する動作制御部11と、オペレータからの操作によって、運転計画の進行速度を調整する調整部12と、を備える。油圧ショベル2の動作は、油圧ショベル2の姿勢遷移、油圧ショベル2の移動、及び油圧ショベル2の旋回のうち少なくとも1つを含む。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
所定の運転計画に基づいて、建設機械の動作を制御する動作制御部と、
オペレータからの操作によって、前記運転計画の進行速度を調整する調整部と、を備える施工支援装置。
【請求項2】
前記建設機械の動作は、前記建設機械の姿勢遷移、前記建設機械の移動、及び前記建設機械の旋回のうち少なくとも1つを含む請求項1に記載の施工支援装置。
【請求項3】
所定の運転計画に基づいて、建設機械の動作を制御するステップと、
オペレータからの操作によって、前記運転計画の進行速度を調整するステップ、とを備える施工支援方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、施工支援装置及び施工支援方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、災害現場等での無人化施工に関する技術開発が盛んである。無人化施工をする建設機械には、例えば、遠隔操作式のもの、自動運転式のものがある。特許文献1の遠隔操作式は、搭乗式(直接操作式)と比較して、作業現場の視野が限られるため運転し難いことが多い。よって、遠隔操作式は、作業効率を向上させることが容易でないという問題がある。また、特許文献2の自動運転式は、障害物(例:作業員)や傾斜がある場所であっても、建設機械は予め決められた運転計画に従って自動で進む。このため、自動運転の停止の判断が困難であるという問題がある。また、停止後の再開は運転計画の途中段階からの開始を意味するが、運転計画の途中から制御を開始することは制御上容易でない。つまり、自動運転式は、自動運転の停止後の再開動作が煩雑である。よって、自動運転式は、自動運転の停止を頻繁に行わざるを得ない状況下では作業効率を向上させることが容易でないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2010‐176587
【特許文献2】特開2003-044141
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このような観点から、本発明は、建設機械の作業効率を向上させる施工支援装置及び施工支援方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
前記課題を解決するために、本発明は、所定の運転計画に基づいて、建設機械の動作を制御する動作制御部と、オペレータからの操作によって、前記運転計画の進行速度を調整する調整部と、を備える施工支援装置である。
また、本発明は、所定の運転計画に基づいて、建設機械の動作を制御するステップと、オペレータからの操作によって、前記運転計画の進行速度を調整するステップ、とを備える施工支援方法である。
【0006】
本発明によれば、無人化施工において、建設機械の操舵等の動作は自動で行う一方、オペレータの操作は、運転計画の進行速度の調整で済む。運転計画の進行速度の調整は、例えば、-100%~+100%に調整可能なレバー操作量の調整として実現可能であり、オペレータにとって容易である。遠隔操作式の場合、限られた情報に注意しながら、複雑かつ精緻な操作を繰り返し行う必要があり高い熟練度が求められる。しかし、本発明の場合、運転計画の進行速度の調整以外は自動で行われるため、熟練者でないオペレータであっても建設機械を容易に運転でき、疲労も軽減される。また、自動運転の場合、停止後の再開動作が煩雑であるため、本来停止すべきであってもオペレータが停止を躊躇してしまうことが考えられる。しかし、本発明の場合、オペレータが運転計画の進行速度を0に調整することで、自動運転の一時停止(保留)という扱いにすることができ、自動運転を実際に停止させることはない。オペレータが運転計画の進行速度を0より大きな値に調整すれば、自動運転を事実上再開できるため、再開動作は容易であり、オペレータが停止を躊躇することはない。また、自動運転の場合、制御速度が決められている。よって、不安定な地盤で建設機械を減速させて作業を行う必要がある場合には、そのような減速を予め運転計画に組み込む必要があった。しかし、本発明の場合、オペレータが運転計画の進行速度の調整することにより、建設機械の減速を容易に実現できる。したがって、建設機械の作業効率を向上させることができる。
【0007】
また、前記建設機械の動作は、前記建設機械の姿勢遷移、前記建設機械の移動、及び前記建設機械の旋回のうち少なくとも1つを含むことが好ましい。
【0008】
これにより、建設機械の姿勢遷移、建設機械の移動、及び建設機械の旋回のうち少なくとも1つを自動にすることができる。また、オペレータからの操作により運転計画の進行速度を調整することで、これらの動作の速度を手動で制御できる。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、建設機械の作業効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図4】運転計画の進行速度の調整を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施をするための形態を、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるもではない。なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【0012】
[構成]
図1は、本実施形態のシステムの機能構成図である。本実施形態のシステムは、施工支援装置1と、油圧ショベル2とを備えている。施工支援装置1は、オペレータが使用し、所定の情報処理を実行するコンピュータである。油圧ショベル2は、建設機械の例であり、所定の情報処理を実行する情報端末(図示せず)を備えているためコンピュータとして機能することができる。施工支援装置1及び油圧ショベル2は通信可能に接続されている。
【0013】
施工支援装置1及び油圧ショベル2はそれぞれ、入力部、出力部、制御部、および、記憶部といったハードウェアを備える。例えば、制御部がCPU(Central Processing Unit)から構成される場合、その制御部を含むコンピュータによる情報処理は、CPUによるプログラム実行処理で実現される。また、そのコンピュータに含まれる記憶部は、CPUの指令により、そのコンピュータの機能を実現するためのさまざまなプログラムを記憶する。これによりソフトウェアとハードウェアの協働が実現される。前記プログラムは、記録媒体に記録したり、ネットワークを経由したりすることで提供可能となる。
油圧ショベル2は、例えば、複数種類のECU(Electronic Control Unit)から制御部を構成できる。ECUの各々は、CAN(Controller Area Network)などによって通信可能に接続されている。また、ECUの各々は、施工支援装置1から受信したコマンドに従い、油圧ショベル2の各部(例:エンジン、モータ、油圧バルブ)を制御したり、油圧ショベル2に取り付けられた各種センサから得た情報をCANなどで通信したりできる。油圧ショベル2は、例えば、GNSS(Global Navigation Satellite System)方位計、SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)用LiDAR(Light Detection And Ranging)などのセンサを備えており、自車位置を取得できる。油圧ショベル2は、自車位置などのセンシング情報を施工支援装置1に送信できる。
【0014】
施工支援装置1は、動作制御部11と、調整部12を備えている。また、施工支援装置1は、運転計画DB13を記憶している。「DB」はデータベース(DataBase)の略である。動作制御部11は、所定の運転計画に基づいて、建設機械の動作を制御する。調整部12は、オペレータからの操作によって、運転計画の進行速度を調整する。運転計画DB13は、油圧ショベル2に対して用意された運転計画を格納する。運転計画は、油圧ショベル2の動作を時系列にまとめたものである。油圧ショベル2が運転計画に従って動作することで自動運転が実現する。油圧ショベル2の動作は、例えば、姿勢遷移、移動、旋回であるが、これらに限定されない。
油圧ショベル2は、ブーム21と、アーム22と、バケット23と、機体24と、クローラ28を備えており、掘削等を行うことができる。動作制御部11は、ブーム21と、アーム22と、バケット23を制御して油圧ショベル2の姿勢を制御できる。また、動作制御部11は、機体24を制御して油圧ショベル2の旋回角を制御できる。また、動作制御部11は、クローラ28を制御して油圧ショベル2の機体方位を制御できる。運転計画は、油圧ショベル2の姿勢、旋回角、及び機体方位を時刻ごとに設定できる。オペレータからの操作によって調整部12が運転計画の進行速度を調整することで、動作制御部11は、油圧ショベル2の姿勢、旋回角、及び機体方位について、運転計画の進行速度に応じた制御を実現できる。
【0015】
{動作例}
図2は、油圧ショベルの姿勢遷移例の説明図である。
図2に示すように、油圧ショベル2が土砂を掬い始める場合、姿勢1→姿勢2→姿勢3→姿勢4の順に、ブーム21、アーム22、及びバケット23の各々の姿勢が遷移する。姿勢1は、初期状態であり、アーム格納状態である。姿勢2は、動作開始状態である。姿勢3は、目標への移動状態である。姿勢4は、掬い上げ開始状態である。姿勢1~姿勢4の各々の時間間隔は等間隔である。また、
図2に示すように、油圧ショベル2の機体24とブーム21との間の関節25の角度をブーム角、ブーム21とアーム22との間の関節26の角度をアーム角、及びアーム22とバケット23との間の関節27の角度をバケット角と呼ぶことにする。動作制御部11は、関節25~27を制御し、ブーム角、アーム角、及びバケット角を設定できる。
【0016】
[運転計画]
図3は、運転計画の例(その1)の説明図である。
図3は、横軸を姿勢遷移(つまり、時刻)、縦軸を角度としたときのブーム角、アーム角、及びバケット角のグラフである。ブーム21、アーム22、及びバケット23の全体は複雑な動作をするが、動作制御部11は関節25~27の各々を独立に動作させることができる。このため、油圧ショベル2の時刻ごとの姿勢をブーム角、アーム角、及びバケット角の組み合わせで表現できる。油圧ショベル2が自動運転する際、動作制御部11は、
図3の運転計画に基づいて、油圧ショベル2の姿勢を制御する。
図3のグラフでは、姿勢間の角度を直線補間で示しているが、直線補間に限らず、例えば、2次以上のスプライン曲線等で補間してもよい。
【0017】
[運転計画の進行速度の調整]
図4は、運転計画の進行速度の調整を説明するための図である。
図4に示すグラフは、
図3に示すグラフと同じである。油圧ショベル2が自動運転を開始すると、
図4の現在時刻を示す縦線が現実の時間経過に合わせて右方向に推移する。動作制御部11は、この縦線と、ブーム角、アーム角、及びバケット角の折れ線との交点に対応する角度になるように関節25~27を制御する。ここで、施工支援装置1のオペレータからの操作があった場合、調整部12は、運転計画の進行速度を調整する。具体的には、調整部12は、
図4の現在時刻を示す縦線が推移する速度を変更する。例えば、オペレータからの操作が、運転計画の進行速度を現実の時間経過の速度よりも小さくする旨の操作であった場合、
図4の現在時刻を示す縦線が右方向にゆっくり推移する。動作制御部11は、
図4に示すグラフに沿ってブーム角、アーム角、及びバケット角をゆっくり遷移させる。その結果、現場の状況に応じて油圧ショベル2の作業をゆっくり進行させることができる。
【0018】
例えば、調整部12は、レバーを有する入力インタフェース(施工支援装置1の入力部)として実装できる。レバーは中立位置で直立しており、正方向又は逆方向に操作(傾倒)できる。レバーの操作方向は、運転計画の進行方向を表す。レバーを正方向に操作すると運転計画を進め、油圧ショベル2の姿勢遷移を進める。より具体的には、
図4の現在時刻を示す縦線が右方向に推移する。レバーを逆方向に操作すると運転計画を戻し、油圧ショベル2の姿勢を戻す。より具体的には、
図4の現在時刻を示す縦線が左方向に推移する。また、レバーの操作量(レバーの傾倒角度)は、運転計画の進行速度を表す。レバーを正方向へ操作した場合には、レバーの正方向への操作量に応じて油圧ショベル2の姿勢遷移を進める速度を設定する。より具体的には、
図4の現在時刻を示す縦線が右方向に推移する速度を設定する。レバーを逆方向へ操作した場合には、レバーの逆方向への操作量に応じて油圧ショベル2の姿勢を戻す速度を設定する。より具体的には、
図4の現在時刻を示す縦線が左方向に推移する速度を設定する。例えば、レバー操作量は、-100%~+100%に調整可能である。+100%のときに運転計画の進行速度が現実の時間経過の速度と同じになり、-100%のときに現実の時間経過の速度と同じ速度で運転計画が戻る。0%のときには運転計画が進行も戻りもせず、自動運転を一時停止(保留)の扱いにすることができる。
また、調整部12は、運転計画の進行速度を調整するためのソフトウェア(ガジェット)として実装することができ、右ボタン及び左ボタンで運転計画の進行方向及び進行速度を決定できる。
調整部12によって、オペレータは運転計画の進行速度を調整することができ、油圧ショベル2の自動運転を半自動化することができる。
【0019】
[運転計画の他の例]
図5は、運転計画の例(その2)の説明図である。
図5は、横軸を姿勢遷移(つまり、時刻)、縦軸を角度としたときのブーム角、アーム角、バケット角及び旋回角のグラフである。ブーム角、アーム角及びバケット角については
図3、
図4と同様である。旋回角は、機体24の向きを示す角度である。動作制御部11は関節25~27の各々及び機体24を独立に動作させることができる。このため、油圧ショベル2の時刻ごとの姿勢及び旋回をブーム角、アーム角、バケット角及び旋回角の組み合わせで表現できる。油圧ショベル2が自動運転する際、動作制御部11は、
図5の運転計画に基づいて、油圧ショベル2の姿勢を制御する。
図5のグラフでは、姿勢間の角度を直線補間で示しているが、直線補間に限らず、例えば、2次以上のスプライン曲線等で補間してもよい。
【0020】
図6は、運転計画の例(その3)の説明図である。
図6は、横軸を姿勢遷移(つまり、時刻)、縦軸を角度及び座標としたときの機体方位、X座標及びY座標のグラフである。機体方位は、作業現場に対して設定した仮想座標系おける油圧ショベル2の向きであり、より詳細には、クローラ28の向きである。X座標は、仮想座標系における油圧ショベル2のX方向(水平面の一方向)の位置である。Y座標は、仮想座標系における油圧ショベル2のY方向(水平面の一方向であり、X方向に直交)の位置である。動作制御部11は、機体24及びクローラ28を独立に動作させることができる。このため、油圧ショベル2の時刻ごとの移動及び向きを、機体方位、X座標及びY座標の組み合わせで表現できる。
図3~
図6に示すように、油圧ショベル2の運転計画は、さまざまな形式で表現することができる。
図3~
図6に示す運転計画の全部または一部を組み合わせた運転計画を作成し、運転計画DB13に格納させてもよい。
【0021】
[処理]
次に、本実施形態の処理について説明する。
図7は、本実施形態の処理のフローチャートである。
図7の処理は、油圧ショベル2が運転計画に基づいて自動運転している間繰り返し実行される。まず、施工支援装置1の調整部12は、運転計画の進行速度の調整の操作がオペレータからあったか否かを判定する(ステップS1)。具体的には、調整部12は、オペレータがレバーを操作したか否かを判定する。操作がなかった場合(ステップS1でNo)、
図7の処理が終了する。この場合、運転計画の進行速度が維持されたままであり、動作制御部11は、維持された進行速度に合わせて油圧ショベル2の動作を制御する。一方、操作があった場合(ステップS1でYes)、動作制御部11は、油圧ショベル2の動作速度を変更する(ステップS2)。この場合、動作制御部11は、調整(変更)された進行速度に合わせて油圧ショベル2の動作を制御する。その後、
図7の処理が終了する。
【0022】
[まとめ]
本実施形態によれば、無人化施工において、油圧ショベル2などの建設機械の操舵等の動作は自動で行う一方、オペレータの操作は、運転計画の進行速度の調整で済む。運転計画の進行速度の調整は、例えば、-100%~+100%に調整可能なレバー操作量の調整として実現可能であり、オペレータにとって容易である。遠隔操作式の場合、限られた情報に注意しながら、複雑かつ精緻な操作を繰り返し行う必要があり高い熟練度が求められる。しかし、本実施形態の場合、運転計画の進行速度の調整以外は自動で行われるため、熟練者でないオペレータであっても建設機械を容易に運転でき、疲労も軽減される。また、自動運転の場合、停止後の再開動作が煩雑であるため、本来停止すべきであってもオペレータが停止を躊躇してしまうことが考えられる。しかし、本実施形態の場合、オペレータが運転計画の進行速度を0に調整することで、自動運転の一時停止(保留)という扱いにすることができ、自動運転を実際に停止させることはない。オペレータが運転計画の進行速度を0より大きな値に調整すれば、自動運転を事実上再開できるため、再開動作は容易であり、オペレータが停止を躊躇することはない。また、自動運転の場合、制御速度が決められている。よって、不安定な地盤で建設機械を減速させて作業を行う必要がある場合には、そのような減速を予め運転計画に組み込む必要があった。しかし、本実施形態の場合、オペレータが運転計画の進行速度の調整することにより、建設機械の減速を容易に実現できる。したがって、建設機械の作業効率を向上させることができる。
【0023】
また、建設機械の姿勢遷移、建設機械の移動、及び建設機械の旋回のうち少なくとも1つを自動にすることができる。また、オペレータからの操作により運転計画の進行速度を調整することで、これらの動作の速度を手動で制御できる。
【0024】
[変形例]
(a):本実施形態では油圧ショベルを例に採り上げたが、他の種類の建設機械にも適用可能である。また、建設機械に限らず、外付けセンサを有するFA(Factory Automation)機構や操縦系ロボット等に対しても本発明を適用できる。
(b):搭乗式の建設機械に対しても本発明を導入できる。また、遠隔操作式の建設機械に対しても本発明を導入できる。
【0025】
(c):本実施形態で説明した種々の技術を適宜組み合わせた技術を実現することもできる。
(d):本実施形態で説明したソフトウェアをハードウェアとして実現することもでき、ハードウェアをソフトウェアとして実現することもできる。
(e):その他、本発明の構成要素について、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【0026】
1 施工支援装置
2 油圧ショベル
11 動作制御部
12 調整部
13 運転計画DB
21 ブーム
22 アーム
23 バケット
24 機体
25~27 関節
28 クローラ